納子峽纖維混凝土面板壩服役期接縫變形特性分析

王玉龍，覃 源，王迎春，劉海敏

(1.西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，陜西 西安 710048；2.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065；3.國(guó)家電投集團(tuán)青海黃河電力技術(shù)有限責(zé)任公司，青海 西寧 810016)

混凝土面板堆石壩(CFRD)是一種重要的水工壩型，其混凝土面板是大壩最重要的防滲體之一，但由于目前施工中采用分塊澆筑的施工形式，致使面板不可避免地存在“接縫”[1]。通常接縫主要分為周邊縫及面板間的垂直縫與水平縫。接縫在服役過程中，不但需要承擔(dān)較大的多向變形，同時(shí)還需協(xié)調(diào)壩體與面板之間的不均勻位移[1-3]。資料表明，歷史上出現(xiàn)的較嚴(yán)重的面板壩潰壩及漏水事故中，30%以上是由面板接縫損壞所致[3-6]。因此，周邊縫、面板間的垂直縫與水平縫是整個(gè)面板壩中較薄弱、變形大且復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，對(duì)于壩體安全來說至關(guān)重要[6]。研究發(fā)現(xiàn)，周邊縫及面板間的垂直縫與水平縫會(huì)隨氣候、季節(jié)、庫水位等各種因素的變化而發(fā)生位移變形，所以在施工和運(yùn)行期都需要重點(diǎn)關(guān)注[6,7]。

程展林等[7]針對(duì)水布埡面板堆石壩的壩體及面板變形進(jìn)行了分析；金建峰等[8]針對(duì)閑林水庫面板堆石壩在蓄水初期的壩體及面板性能進(jìn)行了分析；呂高峰等[9]對(duì)某面板壩周邊縫及三向測(cè)縫計(jì)測(cè)值異常進(jìn)行了分析并提出改進(jìn)建議；何鮮峰等[10]結(jié)合原位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及計(jì)算分析得出了常態(tài)混凝土面板施工期開裂的主要原因，并提出了相應(yīng)改善措施；梁希林等[11]研究了高寒自然條件對(duì)接縫止水體系的影響，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了面板堆石壩接縫止水體系的改進(jìn)措施；劉萬新等[12]針對(duì)高寒地區(qū)面板堆石壩的變形特點(diǎn)，提出了增加面板頂部厚度、增大擠壓縫寬度等改善控制變形的措施。以上文獻(xiàn)大多是針對(duì)常態(tài)混凝土面板或高寒地區(qū)常態(tài)混凝土面板周邊縫及垂直縫的變形性能進(jìn)行研究分析，對(duì)纖維混凝土面板周邊縫及垂直縫的研究相對(duì)較少。而面板及面板接縫的變形與面板混凝土材料等因素有關(guān)[13,14]，研究表明，在混凝土中摻入0.9 kg/m3的纖維素纖維可以降低83.7%的裂縫面積[15]，提升3.6%的混凝土抗壓強(qiáng)度[16]，并可大幅提升抗凍及抗?jié)B性能[15,17,18]。綜上所述，加入纖維后面板的力學(xué)性能提高，對(duì)面板接縫性能有改善作用。本文基于納子峽大壩纖維混凝土面板在服役期的接縫變形特征，分析了高寒、高海拔地區(qū)纖維混凝土面板接縫在溫升、溫降過程中的變形特性，揭示了纖維混凝土面板周邊縫、垂直縫及水平縫在服役期的工作性能及變形規(guī)律，以期為纖維混凝土面板堆石壩的研究提供參考。

1 纖維混凝土面板接縫監(jiān)測(cè)布置

1.1 工程概況

納子峽水電站位于青海省東北部，距西寧市約186 km。納子峽大壩為纖維混凝土面板砂礫石壩，屬Ⅱ等大(2)型工程，壩頂高程為3 204.6 m，壩頂寬度10 m，壩頂長(zhǎng)度416.01 m，最大壩高121.5 m，面板共分35塊，單塊面板最長(zhǎng)可達(dá)209.95 m，現(xiàn)場(chǎng)情況如圖1所示。壩體工程設(shè)防烈度為Ⅶ度，地處內(nèi)陸寒冷氣候區(qū)，年平均氣溫0.5 ℃，最大凍土深度2 m，晝夜溫差較大。壩址兩岸地形不對(duì)稱，左岸山體相對(duì)較陡，右岸山體上陡下緩，整體岸坡呈左陡右緩的斜“U”字型。左岸壩肩巖體未有強(qiáng)風(fēng)化帶，右岸壩肩巖體強(qiáng)風(fēng)化帶厚度可達(dá)2～5 m。壩體自上游至下游的最大斷面及材料分區(qū)[19]如圖2所示。本工程中纖維采用上海羅洋新材料科技有限公司RS2000型纖維素纖維，纖維素纖維混凝土的相關(guān)參數(shù)及配合比如表1所示，其纖維材料性質(zhì)如表2所示。

圖1 納子峽纖維混凝土面板堆石壩Fig.1 Pictures of Nazixia concrete face sandy gravel dam

圖2 納子峽面板堆石壩最大斷面及材料分區(qū)圖[19]Fig.2 Maximum section and material division of Nazixia CFRD[19]

表1 纖維素纖維混凝土參數(shù)
Tab.1 Parameters of cellulose fiber concrete

設(shè)計(jì)等級(jí)用水量/(kg/m3)砂率/%纖維/(kg/m3)塌落度/mm骨料級(jí)配外加劑/%C30125±534±20.935Ⅱ0.812

表2 纖維素纖維的材料性質(zhì)Tab.2 Material properties of cellulose fibers

1.2 接縫監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

納子峽面板堆石壩主要采用兩向測(cè)縫計(jì)(JM2)對(duì)面板垂直縫的開合度和相對(duì)沉陷變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，選取編號(hào)為JM22、JM25、JM227、JM229的4組監(jiān)測(cè)點(diǎn)；面板周邊縫的監(jiān)測(cè)主要采用三向測(cè)縫計(jì)(JM3)，選取編號(hào)為JM32、JM35、JM38、JM310、JM311、JM312的6組監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用以測(cè)量張拉、沉陷及剪切變形。接縫測(cè)點(diǎn)布置及所選測(cè)點(diǎn)位置如圖3所示。所選測(cè)點(diǎn)均為該面板測(cè)值中變化幅度及變形量最大的測(cè)點(diǎn)。

圖3 面板接縫監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Layout of monitoring points for panel joints

2 面板接縫性能分析

納子峽水電站于2009年9月開工，2011年3月截流，2012年11月填筑施工完成，2014年2月蓄水，2015年6月溢洪道泄水；2016年至2017年間，在震中距納子峽水電站約40 km處，發(fā)生了兩次不超過本工程抗震設(shè)防烈度的淺源地震。本文主要截選2014年至2017年間，納子峽大壩面板垂直縫及周邊縫的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

2.1 面板垂直縫工作性能分析

垂直縫兩向位移數(shù)據(jù)中，最大張開量為9.893 mm，最大沉陷量為8.942 mm，均由JM229點(diǎn)測(cè)得；最大閉合量為9.178 mm，最大抬升量為10.454 mm，均由JM22點(diǎn)測(cè)得。同時(shí)，可以觀察到，測(cè)點(diǎn)溫測(cè)值在6、7月較高，進(jìn)入2、3月份則處于零下狀態(tài)，整體溫測(cè)值在-12 ℃～+30 ℃范圍內(nèi)波動(dòng)。綜合各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)來看，面板垂直縫開合方向的數(shù)值及沉降方向的數(shù)值在蓄水初期振蕩較大，當(dāng)達(dá)到蓄水位后，數(shù)據(jù)波動(dòng)趨于平穩(wěn)。期間雖遭受嚴(yán)寒及震害影響 ，但無異常變化。

圖4為位于第5、6塊面板接縫處JM22測(cè)點(diǎn)的位移、溫度變化曲線。在張合方向，該點(diǎn)主要呈壓縮狀態(tài)，最大壓縮變化量為9.115 mm，測(cè)值在0.063 mm～9.178 mm范圍內(nèi)波動(dòng)；最大張開變化量為2.011 mm，測(cè)值在2.013 mm～0.002 mm之間波動(dòng)。同時(shí)，在沉降方向，該測(cè)點(diǎn)以抬升狀態(tài)為主，最大抬升變化量為10.453 mm，測(cè)值在0.001 mm～10.454 mm范圍內(nèi)波動(dòng)；最大下沉變化量為1.508 mm，測(cè)值在區(qū)間1.659 mm～0.151 mm范圍內(nèi)波動(dòng)。在溫測(cè)值方面，該測(cè)點(diǎn)溫度在-14.131 ℃～+26.393 ℃范圍內(nèi)波動(dòng)較大。在張合方向，最大溫差可達(dá)40.62 ℃，在沉降方向，最大溫差為40.52 ℃。由于測(cè)點(diǎn)JM25、JM227、JM229與JM22變化規(guī)律相似，故不再贅述，所選測(cè)點(diǎn)的垂直縫位移變化范圍如圖5所示，溫度變化范圍如圖6所示。

圖4 JM22測(cè)點(diǎn)位移、溫度變化過程曲線Fig.4 JM22 measuring point displacement and temperature change curve

圖5 垂直縫位移變化范圍Fig.5 Displacement range of vertical joint

圖6 垂直縫溫度變化范圍Fig.6 Temperature range of vertical joint

本文采用酈能惠[20]所推薦的考慮岸坡角度及壩高位移特征值的計(jì)算方法對(duì)垂直縫的位移變形進(jìn)行研究。上述測(cè)點(diǎn)的垂直縫位移值及特征值如表3所示。位移特征值計(jì)算方法為：

(1)

式中：CDV為考慮壩高及坡角的面板垂直縫位移特征值；DV為周邊縫張開方向的實(shí)測(cè)位移值；α為測(cè)點(diǎn)所處岸坡最陡岸坡坡角；H為大壩最大壩高[20]。另外，位移模量特征值計(jì)算方法為：

(2)

(3)

式中：O、S分別為垂直縫張開、沉降方向的實(shí)測(cè)位移；Ds為垂直縫位移的模；CDS為考慮壩高及岸坡坡角的垂直縫位移模量特征值。

表3中垂直縫的位移特征值與酈能惠[20]所統(tǒng)計(jì)的已建工程垂直縫位移特征值相比，均小于0.94的容許位移特征值。纖維混凝土面板垂直縫的實(shí)測(cè)閉合位移值為2.39 mm～9.18 mm，優(yōu)于統(tǒng)計(jì)的常態(tài)混凝土面板堆石壩實(shí)測(cè)閉合位移值2.74 mm～11.5 mm；實(shí)測(cè)張開位移值為2.00 mm～9.89 mm，優(yōu)于統(tǒng)計(jì)的常態(tài)混凝土面板堆石壩實(shí)測(cè)張開位移值2.0 mm～35 mm。其纖維混凝土面板垂直縫的張開平均極值位移特征值為0.34，優(yōu)于常態(tài)混凝土面板堆石壩0.525的張開平均極值位移特征值。同時(shí)，由于地形的不對(duì)稱性及基巖承載力的差異，兩岸呈現(xiàn)出不同的位移趨勢(shì)[3,6]。綜合各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)可知，張性縫位于面板靠近右岸處，該區(qū)域以張開狀態(tài)為主，在沉降方向表現(xiàn)出略微抬升的趨勢(shì)，其余斷面均為以壓縮狀態(tài)為主的壓性縫，且呈現(xiàn)下沉狀態(tài)。由圖4曲線趨勢(shì)可知，入夏后氣溫升高、庫水位上升，面板受壓增大產(chǎn)生壓縮變形使數(shù)值呈閉合趨勢(shì)；而入冬后氣溫及庫水位降低，釋放壓縮變形量，造成測(cè)點(diǎn)呈張開趨勢(shì)，但受浮冰消融后的輕微撞擊及凍脹影響，雖然釋放了部分壓縮變形，但測(cè)值仍會(huì)產(chǎn)生區(qū)域性振蕩。在沉降方向，入夏后由于混凝土溫升的熱脹特性，壩體產(chǎn)生輕微下沉；相反，入冬后由于氣溫驟降，壩基產(chǎn)生凍縮效應(yīng)，同時(shí)，壩體材料冷縮效應(yīng)使測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)抬升趨勢(shì)。同樣，兩向溫測(cè)值也呈現(xiàn)出入夏測(cè)溫增加、入冬測(cè)溫下降的變化規(guī)律。

表3 垂直縫位移、溫度統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Statistical displacement and temperature of vertical joints

2.2 面板周邊縫工作性能分析

周邊縫三向變形數(shù)據(jù)中，最大張開量為9.80 mm，由JM38點(diǎn)測(cè)得，最大閉合量為2.53 mm，由JM312點(diǎn)測(cè)得。最大沉陷量為18.8 mm，由JM38點(diǎn)測(cè)得，最大抬升量為5.33 mm，由JM35點(diǎn)測(cè)得。最大正剪量為10.04 mm，由JM38點(diǎn)測(cè)得，最大反剪量為4.98 mm，由JM312點(diǎn)測(cè)得。在溫測(cè)值方面，其數(shù)值變化規(guī)律與垂直縫溫測(cè)值規(guī)律相似。綜合來看，周邊縫沉降方向、張開方向和剪切方向的變形在蓄水初期波動(dòng)較大，當(dāng)達(dá)到蓄水位后，周邊縫各向變形量趨于穩(wěn)定。

圖7為位于左側(cè)邊坡靠河床區(qū)域JM35測(cè)點(diǎn)的位移、溫度變化曲線。該測(cè)點(diǎn)在張合方向，呈張開狀態(tài)，張開量在7.545 mm～0.998 mm之間，最大張開變化量為6.547 mm。該測(cè)點(diǎn)在沉降方向，呈季節(jié)性振蕩規(guī)律，即夏季呈下沉狀態(tài)，冬季以抬升狀態(tài)為主，其下沉變化范圍在5.179 mm～0.043 mm區(qū)間內(nèi)，最大下沉變化量為5.136 mm；抬升量在0.023 mm～5.331 mm以內(nèi)，最大抬升量為5.308 mm。該點(diǎn)在剪切方向，呈正剪變形狀態(tài)，最大正剪變化量為5.634 mm，變化范圍為8.997 mm～3.363 mm。該點(diǎn)各方向中，最大溫差可達(dá)37 ℃，最高溫測(cè)值為41 ℃，均發(fā)生在沉降方向，而其余兩方向溫測(cè)值較小，溫差變化不大。由于測(cè)點(diǎn)JM32、JM38、JM310、JM311、JM312與JM35變化規(guī)律相似，故不再贅述，所選測(cè)點(diǎn)的垂直縫位移變化范圍如圖8所示，溫度變化范圍如圖9所示。

同樣，采用酈能惠[20]所薦方法對(duì)周邊縫的位移變形進(jìn)行研究。上述周邊縫位移及相關(guān)特征值如表4所示，周邊縫位移及相關(guān)特征值為：

(4)

(5)

圖7 JM35測(cè)點(diǎn)位移、溫度變化過程曲線Fig.7 JM35 measuring point displacement and temperature change curve

圖8 周邊縫位移變化范圍 Fig.8 Displacement trend of peripheral joints

圖9 周邊縫溫度變化范圍Fig.9 Temperature range of peripheral joints

表4中周邊縫位移特征值與酈能惠[20]所統(tǒng)計(jì)的已建面板壩的周邊縫位移特征值相比，均小于0.20的容許位移特征值。纖維混凝土面板周邊縫的實(shí)測(cè)開合位移值為0.97 mm～5.78 mm，優(yōu)于統(tǒng)計(jì)的常態(tài)混凝土面板堆石壩實(shí)測(cè)的開合位移值71.8 mm～6.2 mm。纖維混凝土面板周邊縫的實(shí)測(cè)沉降位移值為0.62 mm～18.8 mm，優(yōu)于統(tǒng)計(jì)的常態(tài)混凝土面板堆石壩實(shí)測(cè)的沉降位移值10.8 mm～50.2 mm。纖維混凝土面板周邊縫的實(shí)測(cè)剪切位移值為1.02 mm～10.04 mm，優(yōu)于統(tǒng)計(jì)的常態(tài)混凝土面板堆石壩實(shí)測(cè)剪切位移值3.5 mm～58.6 mm。纖維混凝土面板周邊縫的平均極值位移特征值為0.11，優(yōu)于常態(tài)混凝土面板堆石壩0.15的平均極值位移特征值。同時(shí)，壩體高度、混凝土面板的彈性模量和砂礫石體的彈性模量差異及基巖承載力等都是影響周邊縫變形的關(guān)鍵因素[3]。綜合各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)可以看出，周邊縫在張合方向，主要呈張開狀態(tài)，其中最大張開量出現(xiàn)在河床段，最大閉合量出現(xiàn)在右側(cè)邊坡壩頂位置，且該區(qū)域周邊縫開合度變化速率較高。在沉降方向，周邊縫各個(gè)區(qū)域主要呈下沉狀態(tài)，最大沉降量及最大沉降變化率均位于右側(cè)邊坡。在剪切方向，最大正剪變形量位于大壩中部河床周邊縫區(qū)域，而最大反剪量及最大剪切變化率均監(jiān)測(cè)于右岸邊坡區(qū)域。綜上所述，周邊縫的三向變形隨著上游水位增減而浮動(dòng)，變形數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出較為明顯的周期性變化規(guī)律。

表4 周邊縫位移、溫度統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Statistic of displacement and temperature of peripheral joints

3 結(jié) 論

1) 處于高寒、高海拔地區(qū)的納子峽大壩纖維混凝土面板，在為期3年(2014年1月至2017年1月)的服役中性能穩(wěn)定。通過對(duì)長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，以及類比近似工程可知，纖維混凝土面板接縫位移變形受水庫蓄水影響較大，且位移值不與水位成正比，反而出現(xiàn)上下起伏、波動(dòng)的特點(diǎn)，這一特征對(duì)接縫的穩(wěn)定性不利。在蓄水完成之后，穩(wěn)定運(yùn)行期內(nèi)，接縫變形值隨著庫水位和溫度波動(dòng)呈現(xiàn)周期性變化規(guī)律。

2) 在所研究的服役期內(nèi)(2014年1月至2017年1月)，垂直縫兩向位移中，最大變形量為7 mm，最大溫差值為16 ℃，周邊縫最大變形量為16.44 mm，最大溫差值為22 ℃。參考已建工程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合可表征河谷地形、岸坡角度的特征值計(jì)算法可知，垂直縫開合度位移特征值處于區(qū)間[0.13，0.63]內(nèi)，小于容許開合度位移特征值限值，而周邊縫三向位移特征值處于區(qū)間[0.04，0.13]范圍內(nèi)，也小于容許周邊縫位移特征值限值。因此，垂直縫及周邊縫的變形均處于合理范圍內(nèi)。

3) 納子峽大壩纖維混凝土面板的垂直縫及周邊縫在高海拔、嚴(yán)寒等較為極端的自然條件下，不但位移變形值處于容許范圍內(nèi)，而且通過計(jì)算所得的位移特征值優(yōu)于常態(tài)混凝土，表明纖維混凝土對(duì)高寒環(huán)境及冷熱交替的環(huán)境具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。